Werkzeuge und Notationen Entwicklungsbeschleuniger - Zeit als neue Währung (Teil 1)

Ausführbare Rechenmodelle in einem heterogenen Aktor-Framework unterstützen unsere Denkweise und beschleunigen die Entwicklung von Timing in Embedded-Software.

In der physikalischen Welt passiert vieles auf einmal. Echtzeit, schnelle Reaktionszeiten, 24/7-Betrieb und Kommunikation sind gefragt. Embedded-Systeme treffen als zeitdiskrete, künstliche Recheneinheiten auf zeitkontinuierliche, natürliche Prozesse und sind damit Hybride.

Sie sind darüber hinaus heterogene Gebilde aus Mikroprozessoren mit analogen und digitalen Sensoren und Aktoren. Das macht sie von Natur aus komplex und ihre Entwicklung fehleranfällig.

Smarte Embedded-Systems [7] oder Cyber-Physical-Systems [1] gehen in drei Aspekten entscheidend weiter und lassen die virtuelle mit der physikalischen Welt verschmelzen. Erstens sind Parallelität und Timing das Maß für formale Korrektheit der Software. Zweitens sind dezentrale Regeltechnik und Synchronisierung stark ausgeprägt. Drittens kommunizieren die Systeme in Echtzeit über ein Netzwerk. Dieses Verständnis der gemeinsamen Dynamik ist es, was die neue Disziplin vom traditionellen Ansatz fundamental unterscheidet.

Beispiel 1: Zeit und Parallelität sind die wichtigsten Merkmale künftiger smarter Embedded-Systeme [2,3,4,5]. Beides waren die Hauptanforderungen an ein dezentrales Regelnetzwerk im Hochgeschwindigkeitszug eines chinesischen Bahnbetreibers. Ein zentraler CAN-Master steuert bis zu 256 lokale PID-Controller-Knoten in Echtzeit.

Im 50-Hz-Takt sendet der Master die Regelkoeffizienten an die individuellen Controller-Knoten und erhält im selben Zeitraster deren Regelgrößen zurück. Vorgabe für die Entwicklung: in einem Monat ein funktionsfähiger Prototyp, drei Monate später das Serienprodukt.

Beispiel 2: Die Schweizer Firma Dsolar Ltd. entwickelt zusammen mit Schmid Elektronik die Hauptsteuerung für ihre energieeffiziente, autonome Solaranlage in Form einer Satellitenschüssel. Darin sind 36 gekrümmte Spiegel montiert, die die Sonnenstrahlen im Brennpunkt auf das 2000-fache ihrer Energie bündeln. In diesem Hotspot werden elektrische und thermische Energie mit einem Wirkungsgrad von 80 Prozent (!) gewonnen.

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Cyber-Physical Systems ganz konkret

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